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Guia tecnica ahorro y recuperacion de energia

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  • Ahorro y recuperacinde energa eninstalacionesde climatizacin

    Gua tcnicaAhorro y recuperacinde energa eninstalacionesde climatizacin

    Gua tcnica

  • Ahorro y recuperacinde energa eninstalacionesde climatizacin

    Gua tcnica

  • Ahorro y recuperacinde energa eninstalacionesde climatizacin

    Gua tcnica

  • TTULO

    Gua tcnica de ahorro y recuperacin de energa en instalaciones de climatizacin

    AUTOR

    La presente gua ha sido redactada por la Asociacin Tcnica Espaola de Climatizacin y

    Refrigeracin (ATECYR) para el Instituto para la Diversificacin y Ahorro de la Energa (IDAE),

    con el objetivo de promocionar la eficiencia en el uso final de la energa en los edificios.

    AGRADECIMIENTOS

    Agradecemos a todas las personas que han participado en la elaboracin de esta gua y en

    particular a D. Javier Rey y D. Agustn Maillo y al Comit Tcnico de ATECYR responsable de

    su revisin tcnica.

    Hacemos extensivo este agradecimiento a la Asociacin de Fabricantes de Equipos de

    Climatizacin (AFEC) y a las empresas asociadas que han colaborado en la redaccin del

    mismo, as como a los tcnicos que han participado en el proceso de redaccin y revisin

    de la gua: Elas lvarez, Javier Basterrechea, lvaro Blasco, Luis Buj, Bienvenido Domingo,

    Carolina Ferradal, Enrique Gmez, Santiago Gonzlez , Manuel Herrero, Oscar Maci, David

    de la Merced, Roberto de Paco, Enrique Prez Navarro, David de Perosanz, Jos Antonio

    Romero, David Rodrguez, Emilio Rodrguez, Rafael Ros, Javier Sanabria, Jos Antonio Se-

    dano, Ral Tubio, Juan Manuel Vico y Jos M Virgili.

    . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

    Esta publicacin est incluida en el fondo editorial del IDAE, en la serie Calificacin de Eficiencia Energtica de Edificios.

    Est permitida la reproduccin, parcial o total, de la presente publica-cin, siempre que est destinada al ejercicio profesional por los tcni-cos del sector. Por el contrario, debe contar con la aprobacin por es-crito del IDAE, cuando est destinado a fines editoriales en cualquier soporte impreso o electrnico.

    Depsito Legal: M-22206-2012

    ISBN: 978-84-96680-53-1

    . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

    IDAE

    Instituto para la Diversificacin y Ahorro de la Energa

    c/ Madera, 8

    E - 28004 - Madrid

    [email protected]

    www.idae.es

    Madrid, junio de 2012

  • ndice

    1 Objeto y campo de aplicacin. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

    2 Enfriamiento gratuito. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

    2.0 Generalidades y normativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

    2.1 Sistemas de enfriamiento gratuito por aire (free-cooling) . . . . . . . . . . . . . . . . 7

    2.2 Sistemas de enfriamiento gratuito por agua. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

    2.3 Sistemas de enfriamiento gratuito por migracin de refrigerante . . . . . . . . 36

    3 Enfriamiento evaporativo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

    3.0 Generalidades y normativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

    3.1 Teora de la refrigeracin evaporativa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

    3.2 Clasificacin de aparatos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

    3.3 Enfriamiento directo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

    3.4 Enfriamiento indirecto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

    3.5 Enfriamiento mixto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

    3.6 Criterios de diseo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

    3.7 Ejemplo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

    4 Recuperacin de calor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

    4.0 Generalidades y normativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

    4.1 Recuperadores . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

    4.2 Recuperacin total o parcial del calor generado en el ciclo frigorfico. . . . 113

    4.3 Transferencia energtica entre zonas del edificio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

    5 Combinacin de sistemas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181

    5.1 UTA. Enfriamiento gratuito por aire exterior y recuperacin de calor . . . . . 181

    5.2 Caudal de refrigerante variable. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187

  • 5Objeto y campo de aplicacin

    Actualmente existen tres razones importantes que justifi-can la reduccin del consumo de energa en los edificios.

    La primera es el elevado coste econmico de la energa.

    La segunda son las perspectivas de escasez energtica para las prximas dcadas, lo que provoca el atribuir un coste social al consumo de energa.

    La tercera y ltima es el elevado impacto medioam-biental que el consumo energtico origina en nuestro planeta debido al efecto invernadero, y que actualmen-te viene regulado mediante Protocolos internacionales, Directivas europeas y Reales Decretos que se deben cumplir.

    Un desarrollo sostenible debe buscar soluciones a estos problemas. Con objeto de potenciar y fomentar el uso ms racional de la energa en instalaciones trmicas de los edi-ficios, normalmente destinadas a proporcionar de forma segura y eficiente los servicios de climatizacin necesa-rios, para atender los requisitos de bienestar trmico y de calidad del aire interior, hay que incorporar nuevos avan-ces tcnicos compatibles con las exigencias energticas y medioambientales actuales, mejorando el rendimiento de los equipos y sistemas.

    Existen diferentes vas para conseguir un ahorro de energa en los edificios, como son:

    i) Disminuir la demanda de energa en los edificios.

    ii) Sustituir las fuentes de energa convencionales por energas renovables (solar trmica, fotovol-taica, biomasa o geotrmica).

    iii) Utilizar sistemas y equipos trmicos ms eficientes.

    iv) La recuperacin de energa residual y el enfria-miento gratuito.

    Dada la importancia que esta situacin tcnica pre-senta en cuanto al cumplimiento que las instalaciones trmicas deben satisfacer como requisito de eficiencia energtica y proteccin del medio ambiente, se hace necesario el desarrollo de este documento tcnico de referencia explicativo de las diferentes tecnologas existentes en el campo de la recuperacin de energa y de los sistemas con elevada eficiencia energtica.

    Los ejemplos que cada sistema propuesto lleva, debe con-siderar el lector que estn realizados en unas condiciones ptimas para cada uno de los sistemas, y por tanto no se puede extrapolar la energa y/o emisiones de CO2 aho-rradas a otras aplicaciones o con equipos concretos, (se deber valorar en cada caso la carga interna real, el hora-rio de funcionamiento, las prdidas de presin aadidas a los ventiladores o bombas, prdidas trmicas, etc.).

    En toda la gua se insiste en la necesidad de realizar simulaciones energticas de las diferentes combina-ciones, ya sea para estimar realmente las necesidades reales de los edificios (demanda), como las prestacio-nes reales de los equipos (carga parcial, prestaciones en funcin de las condiciones exteriores, etc.).

    Finalmente, las emisiones de CO2 reales ahorradas depen-dern del sistema existente (de sus eficiencias energticas, EER, COP, tipo de energa utilizada, etc.) y, por tanto, no se puede generalizar; no obstante y con el fin de dar criterios iguales para todos, se ha supuesto en esta gua las corres-pondientes a las instalaciones utilizadas como referencia en los programas oficiales de certificacin energtica, es decir, por cada kWh ahorrado en electricidad se estima una disminucin de 0,649 kg CO2, y por cada kWh trmico ahorrado en calor se estima una disminucin de 0,3827 kg CO2 (lo cual supone gas natural y un rendimento del 75%).

    Finalmente sealar que tanto en la descripcin de los equipos, como en los ejemplos expuestos, se ha contado con las empresas a travs de la asociacin AFEC (Aso-ciacin de Fabricantes de Equipos de Climatizacin).

  • 7Enfriamiento gratuito

    2.0 Generalidades y normativa

    En cuanto a normativa se reproduce la del Reglamento de Instalaciones Trmicas en los Edificios ( RITE):

    IT 1.2.4.5.1 Enfriamiento gratuito por aire exterior:

    1 Los subsistemas de climatizacin del tipo todo aire, de potencia trmica nominal mayor que 70 kW en rgimen de refrigeracin, dispondrn de un subsistema de enfriamiento gratuito por aire exterior.

    2 En los sistemas de climatizacin del tipo todo aire es vlido el diseo de las secciones de compuer-tas siguiendo los apartados 6.6 y 6.7 de la norma UNE-EN 13053 y UNE-EN 1751:

    a) Velocidad frontal mxima en las compuer-tas de toma y expulsin de aire: 6 m/s.

    b) Eficiencia de temperatura en la seccin de mezcla: mayor que el 75%.

    3 En los sistemas de climatizacin de tipo mixto agua-aire, el enfriamiento gratuito se obtendr mediante agua procedente de torres de refrige-racin, preferentemente de circuito cerrado, o, en caso de empleo de mquinas frigorficas aire-agua, mediante el empleo de bateras puestas hidruli-camente en serie con el evaporador.

    4 En ambos casos, se evaluar la necesidad de re-ducir la temperatura de congelacin del agua mediante el uso de disoluciones de glicol en agua.

    En general se pueden distinguir tres tipos de sistemas para poder aprovechar las condiciones energticas del aire exterior, bien utilizar directamente el aire exterior,

    bien utilizar el aire exterior para enfriar agua o bien re-frigerante del sistema de refrigeracin empleado.

    El objetivo de un sistema de enfriamiento gratuito es reducir la energa necesaria para la adecuacin hi-grotrmica del aire impulsado por los sistemas de acondicionamiento.

    2.1 sistemas de enfriamiento Gratuito por aire (free-coolinG)

    2.1.1 Teora

    El sistema de enfriamiento gratuito por aire exterior, co-mnmente conocido como free-cooling, es sin duda el lder del ahorro energtico. Consiste en utilizar aire del exterior, normalmente solo filtrado, en vez de recircular aire del retorno, por tener unas caractersticas energ-ticas que le hacen ms eficiente energticamente que el aire procedente del retorno.

    Aunque las situaciones ms habituales son aquellas en las que las caractersticas que se precisan para que el aire de impulsin sea capaz de vencer las cargas inter-nas de los locales estn ms prximas a las que posee el aire del retorno que a las del aire exterior, siendo ms ventajoso energticamente utilizar aire recirculado, aparecen a lo largo del ao diferentes situaciones que pueden hacer ms conveniente la utilizacin de aire del exterior que no recircular aire, lo que reduce los consu-mos energticos y a la calidad del aire interior que se consigue en los locales.

    Evidentemente en la estacin invernal las demandas principales de los edificios suelen ser de calefaccin, pero hay locales que por sus caractersticas especfi-

  • 8Ahorro y recuperacin de energa en instalaciones de climatizacin

    Gua tcnica

    cas, como comercios, salas de fiestas, restaurantes, etc., poseen una elevada carga latente y sensible, y si las condiciones existentes en el aire exterior son ade-cuadas, hacen que resulte ms eficaz utilizar aire del exterior para enfriar el local que no tener que poner en funcionamiento un sistema de enfriamiento con-vencional por compresin mecnica.

    Adems de ser ms econmico utilizar aire fro del ex-terior para disipar las cargas internas, al aumentar el caudal de aire exterior, repercutir en una mejora de la calidad del aire interior (IAQ).

    Para poder utilizar este sistema de enfriamiento gratuito por aire, es necesario que los sistemas de climatizacin de los locales sean por aire y que las unidades de tratamiento de aire estn equipadas con los adecuados sistemas de compuertas, ventiladores y control, necesarios para realizar un control adecua-do de la instalacin.

    El sistema free-cooling debe permitir mediante un control adecuado seleccionar las diferentes situa-ciones que se pueden plantear de cargas internas y climticas, actuando sobre las compuertas de aire y los equipos que deben estar en operacin, para conseguir que el aire de impulsin alcance las condi-ciones higrotrmicas adecuadas con el menor coste energtico.

    2.1.2 Disposiciones y esquemas

    Cuando la entalpa del aire exterior, o en su caso la temperatura dependiendo del sistema de control uti-lizado, es inferior a la entalpa o temperatura del aire procedente del local, ser ms eficiente energtica-mente utilizar aire exterior que no recircular aire de retorno del local.

    Los sistemas, atendiendo al control, se pueden dividir en tres grandes grupos:

    a) Sistemas de enfriamiento gratuito por control de entalpa puro.

    b) Sistemas de enfriamiento gratuito por control de temperatura seca.

    c) Sistemas de enfriamiento gratuito por control de entalpa mejorado.

    El dispositivo consta de un sistema con tres compuer-tas de aire colocadas de manera que la compuerta de aire de retorno est en serie con los ventiladores de aire de retorno e impulsin, mientras que las otras dos compuertas estn en paralelo, la de expulsin en el circuito del ventilador de retorno y la de aire exterior en el circuito del ventilador de impulsin, como se pue-de ver en la figura 2.1.

    Aire expulsado Aire exterior

    Airerecirculado

    Aire de mezcla

    Zona demezcla

    Figura 2.1: Enfriamiento gratuito por aire

    Las velocidades frontales de toma y expulsin de aire sern como mximo de 6 m/s y la eficiencia de tempe-ratura en la seccin de mezcla debe ser de al menos el 75%.

    El diseador deber considerar que los caudales de aire en juego pueden ser diferentes en las dos posiciones extremas del dispositivo, al igual que en cualquier posi-cin intermedia del mismo.

  • 9Enfriamiento gratuito

    La compuerta de retorno podr tener un tamao inferior al de las otras dos compuertas, incluso en la situacin en que su tamao pueda ser insuficiente para poder equilibrar los circuitos. Para un perfecto equilibrado es necesario instalar, en serie con la compuerta de retor-no, una chapa perforada de caractersticas adecuadas.

    La terna de compuertas se deber dimensionar con una cada de presin que, por lo menos, sea igual al 10% de la presin del ventilador, con el fin de asegu-rar que las compuertas tengan la debida autoridad. Cuando las prdidas de presin sean inferiores al 20% es recomendable que las compuertas sean del tipo lamas paralelas, no en oposicin, con el fin de que la variacin de caudales de aire sea lineal al va-riar la posicin de la terna de compuertas.

    2.1.3 Criterios de diseo

    A continuacin se presentan las caractersticas prin-cipales de los sistemas que utilizan aire, utilizando para control la entalpa o la temperatura del aire exterior.

    El seleccionar el mejor control para el enfriamiento gratuito es complejo, pues la conveniencia de utiliar el aire exterior en vez del de retorno depende de muchos factores, as:

    Sistema con control de temperatura del local o con control de temperatura y humedad.

    Equipos existentes en la unidad de tratamiento de aire, bsicamente existencia de enfriamiento eva-porativo indirecto-directo o no.

    Existencia de humectacin con agua recirculada o con vapor.

    Condiciones exteriores frecuentes de la localidad frente a las condiciones del local.

    Sistema de climatizacin de caudal o temperatura variable.

    Equipo de produccin de fro por agua o por ex-pansin directa, y en este ltimo caso con sistema inverter o no.

    Coste de la deshumectacin frente a coste de en-friamiento sensible.

    2.1.3.1 Enfriamiento gratuito por control de en-talpa puro

    El control del sistema basado en la comparacin de en-talpa es el siguiente:

    i) Se miden la temperatura seca (T) y la humedad relativa (HR) del aire exterior y del aire de retor-no. Ambas seales se envan a un controlador (DDC), donde se calculan las entalpas del aire exterior ho y la entalpa del aire de retorno hr, que puede ser recirculado a la instalacin, comparando ambos valores.

    ii) Si ho > hr el regulador enva una seal al actua-dor del servomotor de las compuertas de aire de modo que las compuertas de aire exterior y aire de expulsin estn cerradas en la mnima posicin, asegurando el mnimo aporte de aire de renovacin. La compuerta de aire recirculado estar abierta completamente (posicin mxi-ma permitida).

    iii) Si ho hr el regulador se encargar de que las compuertas de aire exterior y de aire de expul-sin estn completamente abiertas y al mismo tiempo las compuetas de recirculacin estarn completamente cerradas.

    iv) Un sensor de temperatura mide la temperatura (Tm) de la mezcla (aire exterior y aire recircu-lado). Esta seal es comparada con la del punto de consigna T*. Cuando la temperatura del aire exterior To T* entonces el regulador del equipo enva una seal al actuador para modular la apertura de las compuertas de aire de expulsin y de recirculacin para mantener la temperatura del aire de mezcla en el valor que establece la consigna T*. En esta situacin con temperatura del aire exterior inferior a T* el compresor del equipo de produccin de fro debe estar desconectado.

    En la figura 2.2 se muestra el esquema de operacin y el sistema de control, y en la figura 2.3 se tiene la representacin de las condiciones exteriores donde actuar el free-cooling entlpico puro (suponiendo unas condiciones interiores de 24 C y 50% de hume-dad relativa).

  • 10

    Ahorro y recuperacin de energa en instalaciones de climatizacin

    Gua tcnica

    Aire deexpulsin

    Aire recirculado

    Aire demezcla

    Filtro

    Aire de retorno

    Aire de impulsin

    Mquinaenfriadora

    Circuito deagua de refrigeracin

    Batera deagua fra

    Aire exterior

    To / HR

    o

    Tr / HR

    r

    Tm

    DDCControl

    -

    Figura 2.2: Esquema control enfriamiento gratuito con control de entalpa puro

    -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40

    Hum

    edad

    esp

    ecfica

    W (g

    /kg a.s)

    Temperatura seca Ts (C)

    18

    17

    16

    15

    14

    13

    12

    11

    10

    9

    8

    7

    6

    5

    4

    3

    2

    1

    0

    1

    Figura 2.3: Zona de actuacin del control entlpico puro

  • 11

    Enfriamiento gratuito

    Es evidente que existe una zona en que las condicio-nes del aire exterior tienen menos entalpa pero ms temperatura que las condiciones del local. En esta zona si la unidad de tratamieno de aire posee un sis-tema de enfriamiento y humectacin por evaporacin (indirecto-directo, ver ms adelante en esta gua) ser ms conveniente utilizar el aire exterior, pero si el en-friamiento es nicamente por expansin directa o por bateria de agua alimentada por un sistema de compre-sin ser perjudicial utilizar el aire exterior.

    Por otra parte, existe igualmente una zona donde el aire exterior tiene ms entalpa que el aire de retorno, pero menor temperatura, y en este caso no se utiliza el free-cooling; no obstante, si se permite una gran variacin de la humedad relativa del local (por ejem-plo hasta alcanzar un 60%) sera interesante utilizar el free-cooling en esta zona hasta que se alcanzara en el local dichas condiciones (esto reducir drsti-camente dicha zona, existiendo un mayor tiempo de uso del free-cooling).

    2.1.3.2 Enfriamiento gratuito por control de tem-peratura seca

    Resulta ms sencillo comparar solamente temperatu-ras secas utilizando una nica sonda de temperatura, que el sistema de medida y control necesario para poder hacer el estudio comparativo de entalpa. La comparacin se realiza entre la temperatura del aire exterior To con la temperatura del aire recirculado Tr (o con el valor de un punto de consigna predeterminado). El control de un sistema basado en la comparacin de temperaturas es el siguiente:

    1 Se comparan las lecturas de las sondas de tem-peratura del aire exterior To con la del aire de retorno Tr.

    2 Si To > Tr el regulador del equipo DDC de control enva una seal al actuador del servomotor de las compuertas cerrando las de aire exterior y aire de expulsin hasta la mnima posicin, ase-gurando el mnimo aporte de aire de renovacin, permaneciendo abierta al mximo la compuerta de aire recirculado.

    3 Si To Tr las compuertas de aire exterior y expul-sin estarn totalmente abiertas, y la compuerta de aire recirculado totalmente cerrada.

    4 Al igual que ocurra en el sistema de control por entalpas, existe una sonda de temperatura adicional que mide la temperatura del aire de mezcla. Cuando la temperatura exterior sea infe-rior a la temperatura establecida como consigna del aire de impulsin, To T*, entonces el regu-lador del equipo DDC modula la posicin de las compuertas de aire (exterior, expulsin y recircu-lado) de manera que se mantenga la temperatura de la mezcla del aire en el valor establecido en la consigna T*. En esta situacin, al igual que ocu-rra en la analizada anteriormente, el sistema de produccin de fro convencional estar parado.

    En la figura 2.4 se muestra el esquema de operacin y el sistema de control, y en la figura 2.5 se tiene la repre-sentacin de las condiciones exteriores donde actuar el free-cooling entlpico puro (suponiendo unas condi-ciones interiores de 24 C y 50% de humedad relativa).

  • 12

    Ahorro y recuperacin de energa en instalaciones de climatizacin

    Gua tcnica

    Aire deexpulsin

    Aire recirculado

    Aire demezcla

    Filtro

    Aire de retorno

    Aire de impulsin

    Mquinaenfriadora

    Circuito deagua de refrigeracin

    Batera deagua fra

    Aire exterior

    To

    Tr

    Tm

    DDCControl

    -

    Figura 2.4: Esquema control enfriamiento gratuito con control de temperatura seca

    -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40

    Hum

    edad

    esp

    ecfica

    W (g

    /kg a.s)

    Temperatura seca Ts (C)

    18

    17

    16

    15

    14

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    11

    10

    9

    8

    7

    6

    5

    4

    3

    2

    1

    0

    Figura 2.5: Zona de actuacin del control en temperatura seca

    Es evidente que existe una zona en que las condiciones del aire exterior tienen mayor entalpa que el aire de retorno pero menor temperatura. Si en estos casos trabaja la batera de fro de expansin directa es evidente que existir mayor gasto energtico debido a la existencia de deshumectacin en el proceso de enfriamiento.

  • 13

    Enfriamiento gratuito

    2.1.4 Comparacin de los sistemas de control (trmico y entlpico puro). Control entlpico mejorado

    De la comparacin de ambos controles se tiene la diferente actuacin en las zonas A y B en el diagrama de la figura 2.6

    -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40

    Hum

    edad

    esp

    ecfica

    W (g

    /kg a.s)

    Temperatura seca Ts (C)

    18

    17

    16

    15

    14

    13

    12

    11

    10

    9

    8

    7

    6

    5

    4

    3

    2

    1

    0

    A

    B

    1

    Figura 2.6: Diferencia control temperatura seca-entalpa puro

    Cuando las condiciones termohigromtricas del aire ex-terior se sitan dentro del rea marcada como A en el diagrama psicromtrico anterior, un control de entalpa consume menos energa para enfriar y deshumidificar el aire. Por otra parte, cuando las condiciones del aire exterior se encuentran en la zona B, un control de tem-peraturas consume normalmente menos energa, a no ser que la UTA disponga de un sistema de refrigeracin evaporativa que permita reducir la temperatura humidi-ficando el aire.

    As nace el control de entapa mejorado, que consiste en:

    1 Se miden la temperatura seca (T) y la humedad re-lativa (HR) del aire exterior y del aire de retorno. Ambas seales se envan a un controlador (DDC), donde se calculan las entalpas del aire exterior ho y la entalpa del aire de retorno hr, que puede ser recirculado a la instalacin, comparando ambos valores.

    2 Si ho > hr el regulador enva una seal al actuador del servomotor de las compuertas de aire de modo que las compuertas de aire exterior y aire de expulsin estn cerradas en la mnima posicin, asegurando el mnimo aporte de aire de renovacin. La compuerta

    de aire recirculado estar abierta completamente (posicin mxima permitida).

    3 Si ho hr y To > Tr el regulador enva una seal al actuador del servomotor de las compuertas de aire de modo que las compuertas de aire exterior y aire de expulsin estn cerradas en la mnima posicin, asegurando el mnimo aporte de aire de renovacin. La compuerta de aire recirculado estar abierta completamente (posicin mxima permitida).

    4 Si ho hr y To Tr el regulador se encargar de que las compuertas de aire exterior y de aire de ex-pulsin estn completamente abiertas y al mismo tiempo las compuetas de recirculacin estarn completamente cerradas.

    5 Un sensor de temperatura mide la temperatura (Tm) de la mezcla (aire exterior y aire recirculado). Esta seal es comparada con la del punto de con-signa T*. Cuando la temperatura del aire exterior To T* entonces el regulador del equipo enva una seal al actuador para modular la apertura de las compuertas de aire de expulsin y de recirculacin para mantener la temperatura del aire de mezcla en el valor que establece la consigna T*. En esta

  • 14

    Ahorro y recuperacin de energa en instalaciones de climatizacin

    Gua tcnica

    situacin con temperatura del aire exterior inferior a T* el compresor del equipo de produccin de fro, dependiendo de las cargas internas, podra llegar a parar.

    En la figura 2.7 se tiene la representacin de las condiciones exteriores donde actuar el free-cooling entlpico mejorado (suponiendo unas condiciones interiores de 24 C y 50% de humedad relativa).

    -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40

    Hum

    edad

    esp

    ecfica

    W (g

    /kg a.s)

    Temperatura seca Ts (C)

    18

    17

    16

    15

    14

    13

    12

    11

    10

    9

    8

    7

    6

    5

    4

    3

    2

    1

    0

    1

    Figura 2.7: Zona de actuacin del control de entalpa mejorado

    Tericamente hablando, se consigue ms eficien-cia energtica con el control de entalpa que con el control de temperatura. Sin embargo, para poder comparar los valores de entalpa se precisan sondas de temperatura y humedad, por lo que desde un pun-to de vista prctico, dado que las sondas de humedad pueden proporcionar errores (incluso del 10%) como consecuencia de una baja precisin o de derivaciones de la calibracin en cortos periodos de tiempo que hacen dificultoso su mantenimiento, y adicionalmen-te su precio es relativamente elevado, hacen que el sistema ms utilizado de control de enfriamiento gra-tuito sea el de temperatura.

    En consecuencia, se recomienda un control de entalpa mejorado en lugares con clima caliente y hmedo. En la mayor parte de las localidades con clima de temperatu-ra y humedad moderados, el ahorro proporcionado por un control por entalpa mejorado es pequeo. Segn Spitler y colaboradores (1987), los dos tipos de control difieren slo entre el 10 y el 20% de ahorro conseguido, y como el mantenimiento de las sondas de humedad necesarias para el control por entalpas es dificultoso, recomiendan el control por temperaturas.

    Para localidades con clima seco, el control por tempe-raturas es muy adecuado ya que proporciona niveles de ahorro similares al del control por entalpas. No obstante en estos climas, los sistemas de refrigeracin evaporativa, segn veremos a continuacin, pueden proporcionan ahorros elevados pero precisan en la uni-dad de tratamiento UTA de una etapa adicional para la humidificacin, y un mantenimiento estricto del sistema que asegure la limpieza del sistema de bacterias como la Legionella, tpica de estos tipos de instalaciones.

    2.1.5 Ejemplos

    Este ejemplo trata de servir como gua para determinar el ahorro de energa proporcionado por el sistema de enfriamiento gratuito por aire exterior (free-cooling), operando tanto con control trmico como con control entlpico puro.

    El desarrollo se presenta en todas las etapas de cl-culo con las tablas y grficas correspondientes, para la ciudad de Madrid y en el edificio que se describe a continuacin.

  • 15

    Enfriamiento gratuito

    1 Descripcin del edificio

    Superficie. El edificio de nuestro estudio dispone de una superficie con unas dimensiones de 20 x 30 = 600 m2 de una nica planta. Dicho edificio dispone de 60 m2 de superficie acristalada (20 m2 de cristal para las orienta-ciones Sur, Oeste, Este).

    Altura y volumen. La altura del edificio es de 4,5 m y el volumen del edificio es de 2.700 m3.

    Uso del edificio. Este edificio se utilizar como un rea de servicio con un nivel de media ocupacin que ade-ms se supone fija. El horario de funcionamiento es continuo de ooh. a 24h. El nmero de horas de funcio-namiento anuales sern:

    365 das x 24 horas/da = 8.760 h/ao

    Ocupacin. El CTE DB SI-3 Evacuacin de Ocupantes, en su tabla 2.1 Densidades de Ocupacin indica que el nivel de ocupacin es de 3 m2/pax. Por tanto, para 600 m2 la ocupacin se fija en 200 personas (esta ocupacin puede ser razonablemente inferior en clculos para climatiza-cin; no obstante se asume para este ejemplo este valor).

    Caudal mnimo de aire exterior de ventilacin. Segn la IT 1.1.4.2.3 Caudal mnimo de aire exterior de ventilacin, y por el mtodo A de clculo indirecto de caudal de aire ex-terior mnimo por persona, para la categora de calidad de aire interior IDA 3 tenemos un caudal de 8 dm3/s pax (28,8 m3/h pax). El caudal total de aire exterior es:

    28,8 m3/h pax 200 pax = 5.760 m3/h (1,6 m3/s)

    2 Base de datos de Climed 1.3

    Los datos meteorolgicos sintticos creados por CLIMED 1.3, a partir de los datos climticos del Ins-tituto Nacional de Meteorologa, son descargados de la pgina oficial del Ministerio de Industria, Turismo y Comercio, (www.mityc.es).

    Cada archivo de datos climticos consta de 8.762 regis-tros, con el siguiente contenido:

    1er registro y 2 registro. Datos generales:

    Nombre del archivo de datos.

    Longitud de referencia para el clculo de la hora oficial (grados, positivo hacia el Este, flotante).

    Latitud (grados, positivo hacia el Norte).

    Longitud (grados, positivo hacia el Oeste). Altura (metros).

    Registros 3 a 8.762 (Total 8.760):

    Mes (1 a 12, entero).

    Da (1 a 31, entero).

    Hora (1 a 24, entero).

    Temperatura seca ( C).

    Temperatura de cielo ( C).

    Irradiacin directa sobre superficie horizontal (w/m2).

    Irradiacin difusa sobre superficie horizontal (w/m2).

    Humedad absoluta (kg agua/kg aire seco).

    Humedad relativa (%).

    Velocidad del viento (m/s).

    Direccin del viento (grados respecto al Nor-te, positivo desde el Este).

    Azimut solar (grados, negativo hacia el Este).

    Cenit solar (grados).

    A continuacin, con estos datos climticos se elabora la tabla que se describe seguidamente:

    Intervalo. Las tablas se ordenan a partir de la primera columna llamada intervalo . En este intervalo de tempe-raturas, que se ha tomado con una amplitud de 1 C, se agrupan todos los registros de la Base de Datos CLIMED 1.3 que estn dentro del mismo.

    En el intervalo T < 1 se agrupan todos los registros de temperaturas secas inferiores a 1 C, y en el intervalo T = 36 C se agrupan los registros de temperaturas se-cas superiores a 36 C.

    Frecuencias. N Registros: indica el total de veces que se ha producido un registro o dato de temperatura en ese intervalo:

    Frecuencia del intervalo (Fi): es la relacin en % del registro en cada uno de los intervalos y el n total de registros del ao (8.760).

  • 16

    Ahorro y recuperacin de energa en instalaciones de climatizacin

    Gua tcnica

    Frecuencia acumulada (Fa): es la suma acumulada, incluida la del propio intervalo, de todas las frecuen-cias de intervalo (Fi) anteriores.

    Temperaturas y humedades. Las variables utilizadas son:

    T. seca: es la media aritmtica de las temperaturas secas registradas en ese intervalo de temperatura.

    H. Relativa: es la media aritmtica de las humedades relativas, coincidentes con las temperaturas, que se han registrado en ese intervalo de temperatura.

    H. Absoluta: es la media aritmtica de las humedades absolutas, coincidentes con las temperaturas, que se han registrado en ese intervalo de temperatura.

    Datos calculados. A partir de la temperatura seca media y de la humedad absoluta media del intervalo se calcu-lan para cada intervalo el:

    Ve: volumen especfico.

    hs, hl, htotal: entalpa sensible, latente y total.

    Para Madrid, los datos climatolgicos en su horario de uso de 24 horas/da son los de la tabla siguiente:

    DATOS CLIMTICOS

    ciudad: Madrid rea de servicio Horario: 00-24 h

    intervalo

    Base de datos climed 1.3 datos calculados

    Frecuencias Temperaturas y humedades Vol. esp. entalpa

    nmero registros

    Fi (%)

    Fa (%)

    T. seca ( c)

    H. relativa (%)

    H. absoluta (kga/kgas)

    Ve (m3/kgas)

    hs hi htotal

    (kJ/kg)

    T < 1 10 0,11 0,11 0,46 97,9 0,0041 0,845 0,46 10,39 10,85

    1-2 35 0,40 0,51 1,61 94,0 0,0043 0,848 1,62 10,86 12,48

    2-3 152 1,74 2,25 2,54 88,2 0,0043 0,854 3,51 10,93 14,44

    4-5 311 3,55 8,97 4,50 77,2 0,0044 0,857 4,53 10,96 15,49

    5-6 366 4,18 13,15 5,45 74,1 0,0045 0,860 5,48 11,25 16,73

    6-7 415 4,74 17,89 6,49 71,3 0,0046 0,864 6,53 11,65 18,18

    7-8 519 5,92 23,81 7,45 70,2 0,0049 0,867 7,49 12,23 21,08

    8-9 503 5,74 29,55 8,44 67,3 0,0050 0,870 8,49 12,59 21,08

    9-10 479 5,47 35,02 9,43 65,1 0,0052 0,874 9,48 13,04 22,52

    10-11 410 4,68 39,70 10,44 62,2 0,0053 0,877 10,50 13,33 23,83

    11-12 367 4,19 43,89 11,44 59,3 0,0054 0,880 11,51 13,59 25,09

    12-13 364 4,16 48,05 12,46 58,6 0,0057 0,884 12,53 14,40 26,93

    13-14 323 3,69 51,74 13,45 57,2 0,0059 0,887 13,53 15,00 28,53

    14-15 319 3,64 55,38 14,43 56,2 0,0062 0,891 14,51 15,73 30,24

    15-16 367 4,19 59,57 15,44 54,6 0,0064 0,894 15,53 16,33 31,86

    16-17 347 3,96 63,53 16,44 52,4 0,0066 0,897 16,54 16,72 33,26

    17-18 361 4,12 67,65 17,44 50,0 0,0067 0,901 17,54 17,01 34,56

    18-19 384 4,38 72,03 18,45 49,0 0,0070 0,904 18,56 17,80 36,35

    19-20 364 4,16 76,19 19,45 48,0 0,0073 0,908 19,56 18,57 38,14

    20-21 312 3,56 79,75 20,45 44,6 0,0072 0,911 20,57 18,37 39,90

    21-22 287 3,28 83,03 21,44 41,9 0,0072 0,914 21,56 18,33 39,90

    22-23 237 2,71 85,73 22,41 38,4 0,0070 0,916 22,54 17,86 40,40

    23-24 200 2,28 88,01 23,42 35,7 0,0069 0,919 23,56 17,65 41,21

    24-25 162 1,85 89,86 24,45 32,6 0,0067 0,922 24,59 17,14 41,73

    25-26 153 1,75 91,61 25,43 29,9 0,0065 0,925 25,58 16,69 42,26

    26-27 149 1,70 93,31 26,43 28,0 0,0065 0,928 26,58 16,57 43,15

    27-28 139 1,59 94,90 27,41 26,3 0,0064 0,931 27,57 16,51 44,08

  • 17

    Enfriamiento gratuito

    ciudad: Madrid rea de servicio Horario: 00-24 h

    intervalo

    Base de datos climed 1.3 datos calculados

    Frecuencias Temperaturas y humedades Vol. esp. entalpa

    nmero registros

    Fi (%)

    Fa (%)

    T. seca ( c)

    H. relativa (%)

    H. absoluta (kga/kgas)

    Ve (m3/kgas)

    hs hi htotal

    (kJ/kg)

    28-29 117 1,34 96,23 28,44 24,3 0,0063 0,934 28,60 16,20 44,80

    29-30 100 1,14 97,37 29,46 22,6 0,0062 0,937 29,63 15,98 45,62

    30-31 72 0,82 98,20 30,44 21,1 0,0062 0,940 30,62 15,81 46,43

    31-32 54 0,62 98,81 31,47 19,8 0,0062 0,943 31,65 15,79 47,45

    32-33 43 0,49 99,30 32,45 17,7 0,0058 0,946 32,64 14,94 47,58

    33-34 31 0,35 99,66 33,39 17,6 0,0061 0,949 33,58 15,62 49,21

    34-35 19 0,22 99,87 34,28 16,7 0,0061 0,952 34,48 15,62 50,10

    35-36 8 0,09 99,97 35,39 15,6 0,0060 0,955 35,60 15,53 51,12

    T > 36 3 0,03 100,00 36,00 14,1 0,0056 0,957 36,21 14,51 50,72

    8.760

    Media de los 8.760 registros 14,35 55,9 0,0058 0,890 14,43 15,56 30,00

    (continuacin)

    3 Condiciones de proyecto

    Condiciones exteriores: se han considerado los valores de la Norma UNE 100001 para el Nivel de Percentil Esta-cional NPE de la Tabla siguiente:

    CiudadesVerano (NPE 1%)

    Invierno (NPE 99%)

    TS ( C) TH ( C) TS ( C)

    Madrid 36,5 22,6 -4,9

    Condiciones interiores de diseo: se han considerado los valores medios de la Tabla 1.4.1.1 de la IT 1.1 Exigen-cia de Bienestar e Higiene del RITE.

    Verano Invierno

    T ( C) HR (%) T ( C) HR (%)

    24 52,5 22 45

    4 Clculo de cargas trmicas

    Las cargas trmicas contemplan los cerramientos, el suelo, las cargas internas por ocupacin, iluminacin o equipos que disipen calor y la ventilacin.

    Para determinar las cargas trmicas de ventilacin, es decir, las del caudal mnimo del aire exterior de venti-lacin segn la IT 1.1.4.2.3 (Tabla 1.4.2.1) del RITE, se

    aplican las ecuaciones tpicas; por ejemplo, la carga to-tal se obtendr por:

    Q tot ,vent =

    Va ,extve

    hint hext( )

    donde:

    Va,ext, es el caudal mnimo de ventilacin (m3/s).

    hint, es la entalpa en las condiciones interiores (kJ/kg).

    hext, es la entalpa de las condiciones exteriores (kJ/kg).

    ve, es el volumen especfico de las condiciones exterio-res (m3/kg).

    Qtot,vent, es la potencia trmica total de ventilacin (kW).

    Potencia trmica total requerida

    La potencia trmica total (Qtot) requerida por el edificio para cada uno de los intervalos es la suma para cada uno de los intervalos de todas las cargas anteriores por los cerramientos, internas y de ventilacin.

    Los valores obtenidos se recogen en la figura 2.8.

  • 18

    Ahorro y recuperacin de energa en instalaciones de climatizacin

    Gua tcnica

    -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40

    100

    80

    60

    40

    20

    0

    -20

    -40

    -60

    -80

    Potenc

    ia (W

    )

    Temperatura seca exterior (C)

    Cerramientos (Verano)

    Potencia (Verano)

    Ventilacin (Invierno)

    Cargas internas (Verano)

    Cerramientos (Invierno)

    Potencia (Invierno)

    Ventilacin (Verano)

    Cargas internas

    Figura 2.8: Curvas potencia trmica. rea servicio. Madrid

    En las tablas siguientes se recogen los resultados agrupados por intervalos de temperatura para la temporada de in-vierno y verano que en este caso est delimitada a 18 C.

    POTENCIA TRMICA INVIERNO (W)

    Ciudad: Madrid Local: rea de servicio Calidad aire: IDA3

    Caudal mn. vent. (Qv): 5.760 m3/h (1,6 m3/s) Horario: 00-24 h Horas func/ao: 8.760 h

    Cond. interiores: 22 C/45% HR Entalpa (kJ/kg): hS: 22,13; hS: 22,13; hTOTAL: 42,56

    Cerramientos Ocupacin Otras Subtotal Ventilacin Total

    Estructural Suelo Latente Sensible Total Cargas Q1 Latente Sensible Qv Qt

    T < 1 29.494 8.118 -5.000 -12.000 -17.000 -5.700 14.912 21.141 44.092 65.233 80.145

    1-2 26.153 7.602 -5.000 -12.000 -17.000 -5.700 11.055 18.055 38.680 56.734 67.789

    2-3 24.959 7.418 -5.000 -12.000 -17.000 -5.700 9.676 17.930 36.790 54.720 64.396

    3-4 23.734 7.229 -5.000 -12.000 -17.000 -5.700 8.262 17.800 34.874 52.674 60.936

    4-5 22.446 7.030 -5.000 -12.000 -17.000 -5.700 6.776 17.665 32.850 50.515 57.291

    5-6 21.227 6.842 -5.000 -12.000 -17.000 -5.700 5.369 17.069 30.955 48.025 53.394

    6-7 19.886 6.635 -5.000 -12.000 -17.000 -5.700 3.821 16.259 28.895 45.155 48.975

    7-8 18.657 6.445 -5.000 -12.000 -17.000 -5.700 2.402 15.138 27.004 42.142 44.544

    8-9 17.383 6.248 -5.000 -12.000 -17.000 -5.700 930 14.409 25.073 39.482 40.412

    9-10 16.118 6.053 -5.000 -12.000 -17.000 -5.700 -529 13.534 23.154 36.689 36.160

    10-11 14.818 5.852 -5.000 -12.000 -17.000 -5.700 -2.030 12.956 21.214 34.170 32.140

    11-12 13.544 5.655 -5.000 -12.000 -17.000 -5.700 -3.500 12.437 19.308 31.745 28.244

    12-13 12.236 5.453 -5.000 -12.000 -17.000 -5.700 -5.011 10.913 17.372 28.285 23.274

    13-14 10.963 5.257 -5.000 -12.000 -17.000 -5.700 -6.481 9.793 15.510 25.303 18.822

    14-15 9.705 5.063 -5.000 -12.000 -17.000 -5.700 -7.932 8.449 13.679 22.128 14.196

  • 19

    Enfriamiento gratuito

    Ciudad: Madrid Local: rea de servicio Calidad aire: IDA3

    Caudal mn. vent. (Qv): 5.760 m3/h (1,6 m3/s) Horario: 00-24 h Horas func/ao: 8.760 h

    Cond. interiores: 22 C/45% HR Entalpa (kJ/kg): hS: 22,13; hS: 22,13; hTOTAL: 42,56

    Cerramientos Ocupacin Otras Subtotal Ventilacin Total

    Estructural Suelo Latente Sensible Total Cargas Q1 Latente Sensible Qv Qt

    15-16 8.416 4.863 -5.000 -12.000 -17.000 -5.700 -9.421 7.331 11.808 19.139 9.718

    16-17 7.125 4.664 -5.000 -12.000 -17.000 -5.700 -10.910 6.615 9.971 16.586 5.675

    17-18 5.846 4.467 -5.000 -12.000 -17.000 -5.700 -12.387 6.068 8.148 14.216 1.829

    POTENCIA TRMICA VERANO (W)

    Ciudad: Madrid Local: rea de servicio Calidad aire: IDA3

    Caudal mn. vent. (Qv): 5.760 m3/h (1,6 m3/s) Horario: 00-24 h Horas func/ao: 8.760 h

    Cond. interiores: 24 C/52,5% HR Entalpa (kJ/kg): hS: 24,14; hS: 27,05; hTOTAL: 51,19

    Cerramientos Ocupacin Otras Subtotal Ventilacin Total

    Estructural Suelo Latente Sensible Total Cargas Q1 Latente Sensible Qv Qt

    18-19 7.299 4.267 -6.960 -12.649 -19.609 -21.480 -29.522 16.378 9.878 26.256 -3.267

    19-20 5.978 4.068 -6.960 -12.649 -19.609 -21.480 -31.043 14.948 8.067 23.015 -8.028

    20-21 4.672 3.872 -6.960 -12.649 -19.609 -21.480 -32.544 15.260 6.273 21.533 -11.012

    21-22 3.365 3.675 -6.960 -12.649 -19.609 -21.480 -34.049 15.268 4.509 19.776 -14.273

    22-23 2.097 3.484 -6.960 -12.649 -19.609 -21.480 -35.508 16.056 2.792 18.848 -16.660

    23-24 764 3.283 -6.960 -12.649 -19.609 -21.480 -37.042 16.355 1.015 17.371 -19.671

    24-25 -598 3.078 -6.960 -12.649 -19.609 -21.480 -38.609 17.201 -785 16.416 -22.193

    25-26 -1.878 2.885 -6.960 -12.649 -19.609 -21.480 -40.082 17.930 -2.487 15.442 -24.640

    26-27 -3.194 2.687 -6.960 -12.649 -19.609 -21.480 -41.595 18.068 -4.213 13.855 -27.740

    27-28 -4.477 2.494 -6.960 -12.649 -19.609 -21.480 -43.072 18.115 -5.893 12.222 -30.850

    28-29 -5.840 2.288 -6.960 -12.649 -19.609 -21.480 -44.640 18.581 -7.632 10.949 -33.691

    29-30 -7.172 2.088 -6.960 -12.649 -19.609 -21.480 -46.173 18.895 -9.376 9.520 -36.653

    30-31 -8.469 1.892 -6.960 -12.649 -19.609 -21.480 -47.666 19.132 -11.024 8.108 -39.557

    31-32 -9.820 1.689 -6.960 -12.649 -19.609 -21.480 -49.220 19.098 -12.744 6.354 -42.865

    32-33 -11.103 1.496 -6.960 -12.649 -19.609 -21.480 -50.696 20.493 -14.378 6.116 -44.580

    33-34 -12.339 1.309 -6.960 -12.649 -19.609 -21.480 -52.119 19.265 -15.921 3.344 -48.775

    34-35 -13.519 1.132 -6.960 -12.649 -19.609 -21.480 -53.476 19.220 -17.380 1.840 -51.636

    35-36 -14.969 913 -6.960 -12.649 -19.609 -21.480 -55.144 19.302 -19.189 113 -55.031

    T > 36 -15.774 792 -6.960 -12.649 -19.609 -21.480 -56.071 20.972 -20.189 783 -55.288

    5 Enfriamiento gratuito por aire exterior (free-cooling)

    Caudales de aire

    En verano, el caudal de aire exterior que se puede impulsar al local va desde el mnimo de ventilacin (Vvent, ext) hasta el mximo que pueda dar el ventilador de impulsin (Vimp), siendo la diferencia un caudal complementario (Vfc) para enfria-miento gratuito (free-cooling), siempre y cuando proceda el hacerlo.

    Vimp = Vvent, ext + Vfc + Vret

    Caudal de impulsin (Vimp): caudal nominal del ventilador de impulsin del equipo, que es el caudal total que se impulsa al interior.

    (continuacin)

  • 20

    Ahorro y recuperacin de energa en instalaciones de climatizacin

    Gua tcnica

    Caudal de retorno (Vret): es el que sale de los locales climatizados que normalmente coincide o es similar al de impulsin (la diferencia es el caudal de aire que es exfiltrado al exterior como consecuencia de mantener los locales en sobrepresin).

    Caudal mnimo (Vvent, ext): caudal mnimo del aire exterior de ventilacin. (Tabla 1.4.2.1 del RITE).

    Caudal complementario (Vfc): caudal de aire exterior a introducir con el fin de compensar las cargas trmicas cuando:

    1 Su temperatura sea menor que la del aire del local o de extraccin (free-cooling trmico que slo com-para temperaturas).

    2 Su entalpa sea menor que la del aire del local o de extraccin (free-cooling entlpico que compara temperaturas y humedades).

    3 Comparacin con el sistema de entalpia mejorada comentado.

    El caudal de aire exterior complementario a introducir Vfc (m

    3/h) se calcula a partir de la potencia trmica total requerida por la instalacin (Qtot) que es susceptible de ser compensada de forma gratuita. Evidentemente, se dejar de introducir este aire exterior complementario cuando resulte ser una carga trmica.

    Vfc =

    Qtot ve

    hint hext

    Potencia de enfriamiento gratuito

    Es la potencia trmica obtenida con el caudal (Vfc) de aire exterior, que ha sido calculado previamente, a par-tir de la expresin:

    Qfc =

    Vfcve

    hint hext( )

    En la tabla siguiente se puede observar la potencia Qfc que se puede obtener con el aporte del aire exterior.

    POTENCIA TRMICA DEL FREE-COOLING (W)

    Ciudad: Madrid Local: rea de servicio Calidad aire: IDA3

    Caudal mn. vent. (Qv): 5.760 m3/h (1,6 m3/s) Horario: 00-24 h Horas func/ao: 8.760 h

    Cond. interiores: 24 C/52,5% HR Entalpa (kJ/kg): hS: 24,14; hS: 27,05; hTOTAL: 51,19

    Caudal aire exterior: mnimo ventilacin Qv: 5.760 m3/h; nominal impulsin Qi: 14.300 m3/h

    Subtotal Mnimo ventilacin Total Potencia trmica free-cooling Total

    P1V

    (m3/h)Latente Sensible Qv Qt

    Vfc (m3/h)

    Latente Sensible Qfc Qc

    18 -19 -29.522 5.760 16.378 9.878 26.256 -3.267 717 2.038 1.229 3.267 0

    19-20 -31.043 5.760 14.948 8.067 23.015 -8.028 2.009 5.214 2.814 8.028 0

    20-21 -32.544 5.760 15.260 6.273 21.533 -11.012 2.946 7.804 3.208 11.012 0

    21-22 -34.049 5.760 15.268 4.509 19.776 -14.273 4.157 11.019 3.254 14.273 0

    22-23 -35.508 5.760 16.056 2.792 18.848 -16.660 5.091 14.192 2.468 16.660 0

    23-24 -37.042 5.760 16.355 1.015 17.371 -19.671 6.523 18.522 1.150 19.671 0

    24-25 -38.609 5.760 17.201 -785 16.416 -22.193 7.787 23.254 -1.061 22.193 0

    25-26 -40.082 5.760 17.930 -2.487 15.442 -24.640 8.540 26.583 -3.688 22.895 -1.745

    26-27 -41.595 5.760 18.068 -4.213 13.855 -27.740 8.540 26.789 -6.247 20.542 -7.198

    27-28 -43.072 5.760 18.115 -5.893 12.222 -30.850 8.540 26.858 -8.738 18.121 -12.729

    28-29 -44.640 5.760 18.581 -7.632 10.949 -33.691 8.540 27.549 -11.315 16.234 -17.457

    29-30 -46.173 5.760 18.895 -9.376 9.520 -36.653 8.540 28.015 -13.901 14.114 -22.539

    30-31 -47.666 5.760 19.132 -11.024 8.108 -39.557 8.540 28.366 -16.345 12.022 -27.536

    31-32 -49.220 5.760 19.098 -12.744 6.354 -42.865 8.540 28.316 -18.895 9.421 -33.444

    32-33 -50.696 5.760 20.493 -14.378 6.116 -44.580 8.540 30.384 -21.317 9.068 -35.513

    33-34 -52.119 5.760 19.265 -15.921 3.344 -48.775 8.540 28.564 -23.605 4.958 -43.816

    34-35 -53.476 5.760 19.220 -17.380 1.840 -51.636 8.540 28.496 -25.768 2.727 -48.908

    35-36 -55.144 5.760 19.302 -19.189 113 -55.031 8.540 28.618 -28.450 168 -54.863

    T > 36 -56.071 5.760 20.972 -20.189 783 -55.288 8.540 31.094 -29.933 1.161 -54.127

  • 21

    Enfriamiento gratuito

    En el caso de free-cooling trmico, a partir de 24 C de temperatura exterior se dejar de introducir aire exte-rior complementario (Vfc) ya que al ser esta temperatura mayor de la debe haber en el interior o de proyecto, el sistema de regulacin actuar sobre las compuertas de aire para dejarlas posicionadas de tal forma que slo se introduzca el Vvent, ext, es decir, el mnimo de aire exterior obligatorio.

    En el caso de que se haya optado por un free-cooling entlpico puro,la compuerta de aire exterior perma-necer abierta totalmente para que el caudal de aire exterior sea el mximo posible, es decir Vimp, con lo que el equipo trabajar con todo aire exterior. Obsrvese que la entalpa del aire exterior es siempre inferior a la del aire de expulsin en las condiciones de diseo del proyecto.

    En estas circunstancias se observa, en la tabla Po-tencia Trmica Verano, que en el intervalo 24-25 C la carga latente interna debida a ocupacin (es la nica carga latente que se ha contemplado) es de -6.960 W, mientras que la potencia latente de compensacin para el Vvent, ext es de +17.201 W, representando la poten-cia sensible de este caudal exterior una carga trmica de 785 W. Por tanto, el mantener las compuertas abiertas por un lado va a disminuir la humedad inte-rior y por otro va a suponer una carga trmica sensible adicional.

    Qc (kW): es la potencia trmica que nos queda por aportar, despus de haber puesto en funcionamiento el free-cooling; es decir, es la potencia que hay que apor-tar por el compresor.

    Analizando los dos posibles casos sobre el con-trol de la humedad relativa, se puede establecer lo siguiente:

    1 Si se desea mantener la humedad relativa interior para mantener las condiciones del 52,5%, se ten-dra que estar humectando y al mismo tiempo si se utiliza el free-cooling entlpico a partir de 24 C estara creando carga trmica sensible, por lo que habra un gasto de energa para humectar y otro para combatir la carga sensible del aire exterior Vfc, a no ser que el enfriamiento se hiciera con humidi-ficador adiabtico que consigue los dos objetivos, humidificar y enfriar.

    2 Si no se controla la humedad relativa y por tanto no se humecta, el caudal de aire exterior de 5.760 m3/h bajara la humedad relativa del interior hasta el 42% y la entalpa a 21,1 kJ/kg, correspondiente a la temperatura interior seca de 24 C, con lo que

    se comportara igual que el free-cooling trmico, pues a 24 C es la misma consigna de referencia para cerrar las compuertas de entrada de aire exterior.

    6 Ahorro de energa del free-cooling

    Una vez seleccionado el equipo para satisfacer las ne-cesidades trmicas en las condiciones de proyecto, cuyo caudal de impulsin de aire Vimp es de 14.300 m

    3/h, se obtienen los valores de ahorro de energa debidos al enfriamiento gratuito. Las variables utilizadas para determinar el ahorro de energa con los sistemas free-cooling son:

    Frecuencias de temporada

    Frecuencia del intervalo (Fiv): es la relacin en % del registro en cada uno de los intervalos y el n total de registros de la temporada de verano o, lo que es lo mismo, es la frecuencia anual (Fi) referenciada slo a la temporada de verano y en el horario especificado.

    Frecuencia acumulada (Fav): es la suma acumulada, in-cluida la del propio intervalo, de todas las frecuencias de intervalo (Fiv) anteriores.

    Potencias ponderadas en funcin de la frecuencia. Para determinar la potencia trmica total ponderada (QP) en el intervalo correspondiente se multiplica la potencia trmica total requerida por la frecuencia (Fiv) del mismo dividida por cien.

    QP = (Qt x Fiv) / 100

    La suma de las QP de cada intervalo proporcionar como resultado el valor medio de Potencia Ponderada Media anual requerida por el edificio (QPm).

    Por otra parte, Qfc es la potencia trmica del enfria-miento gratuito y QPfc, la potencia trmica ponderada de enfriamiento gratuito.

    QPfc = (Qfc x Fiv) / 100

    La suma de todas las QPfc de cada intervalo nos dar como resultado el valor de Potencia Ponderada Media anual de enfriamiento gratuito (QPfcm).

    En la tabla siguiente se muestran los valores corres-pondientes al free-cooling trmico que han resultado una vez que se seleccion el equipo para satisfa-cer las necesidades trmicas en las condiciones de proyecto, siendo su caudal de impulsin de aire de 14.300 m3/h.

  • 22

    Ahorro y recuperacin de energa en instalaciones de climatizacin

    Gua tcnica

    POTENCIA TRMICA PONDERADA DEL FREE-COOLING TRMICO (W)

    Ciudad: Madrid Local: rea de servicio Calidad aire: IDA3

    Caudal mn. vent. (Qv): 5.760 m3/h (1,6 m3/s) Horario: 00-24 h Horas func/ao: 8.760 h

    Cond. interiores: 24 C/52,5% HR Entalpa (kJ/kg): hS: 24,14; hS: 27,05; hTOTAL: 51,19

    IntervaloFrecuencias Carga Trmica FC Trmico

    Fiv (%) Fav (%) Qt QP Qfc QP Pfc

    18 -19 13,55 13,55 -3.267 -443 3.267 443

    19-20 12,84 26,40 -8.028 -1.031 8.028 1.031

    20-21 11,01 37,40 -11.012 -1.212 11.012 1.212

    21-22 10,13 47,53 -14.273 -1.445 14.273 1.445

    22-23 8,36 55,90 -16.660 -1.393 16.660 1.393

    23-24 7,06 62,95 -19.671 -1.388 19.671 1.388

    24-25 5,72 68,67 -22.193 -1.269 0 0

    25-26 5,40 74,07 -24.640 -1.330 0 0

    26-27 5,26 79,33 -27.740 -1.459 0 0

    27-28 4,90 84,23 -30.850 -1.513 0 0

    28-29 4,13 88,36 -33.691 -1.391 0 0

    29-30 3,53 91,89 -36.653 -1.293 0 0

    30-31 2,54 94,43 -39.557 -1.005 0 0

    31-32 1,91 96,34 -42.865 -817 0 0

    32-33 1,52 97,85 -44.580 -676 0 0

    33-34 1,09 98,95 -48.775 -534 0 0

    34-35 0,67 99,62 -51.636 -346 0 0

    35-36 0,28 99,90 -55.031 -155 0 0

    T > 36 0,11 100,00 -55.288 -59 0 0

    -18.760 6.913

    QPm QPfcm

    Con un free-cooling trmico el valor QPfcm es 6.913 kW y el de QPm es de -18.760 kW, lo que significa que este sistema es capaz de suministrar el 36,9% de la potencia media requerida QPm. Ntese que el free-cooling est activo el 62,95% del tiempo de la temporada de verano.

    7 Evaluacin de emisiones de CO2

    La demanda trmica de la instalacin en verano compensada por el enfriamiento gratuito es:

    QPfcm x n horas de uso = 6,913 kW x 8760 h = 60.559 kWh por temporada de verano

    Considerando que en las condiciones de temperatura en que est activo el enfriamiento gratuito (entre 18 y 24 C), el EER del equipo es 4,90 (no se ha considerado el consumo de ventiladores ya que stos deben trabajar independientemente de que haya o no enfriamiento gratuito), el consumo de energa elctrica ser de:

    60.559 kWh / 4,90 = 12.359 kWh

    lo que equivale a una reduccin de emisiones de:

    12.359 kWh x 0,649 kg CO2 /kWh = 8.021 kg CO2

    Que son el 36,9% del total de emisiones si no se hubiera puesto el free-cooling.

  • 23

    Enfriamiento gratuito

    En la siguiente tabla se muestran los valores para el caso del free-cooling entlpico que en base a las consideraciones que se han hecho en el apartado anterior no tendra ninguna ventaja respecto del trmico, ya que bajara la humedad interior y creara una caga trmica sensible adicional.

    POTENCIA TRMICA PONDERADA DEL FREE-COOLING ENTLPICO (W)

    Ciudad: Madrid Local: rea de servicio Calidad aire: IDA3

    Caudal mn. vent. (Qv): 5.760 m3/h (1,6 m3/s) Horario: 00-24 h Horas func/ao: 8.760 h

    Cond. interiores: 24 C/52,5% HR Entalpa (kJ/kg): hS: 24,14; hS: 27,05; hTOTAL: 51,19

    IntervaloFrecuencias Carga trmica Fc entlpico

    Fiv (%) Fav (%) Qt Qp Qfc Qp pfc

    18-19 13,55 13,55 -3.267 -443 3.267 443

    19-20 12,84 26,40 -8.028 -1.031 8.028 1.031

    20-21 11,01 37,40 -11.012 -1.212 11.012 1.212

    21-22 10,13 47,53 -14.273 -1.445 14.273 1.445

    22-23 8,36 55,90 -16.660 -1.393 16.660 1.393

    23-24 7,06 62,95 -19.671 -1.388 19.671 1.388

    24-25 5,72 68,67 -22.193 -1.269 -1.061 -61

    25-26 5,40 74,07 -24.640 -1.330 -3.688 -199

    26-27 5,26 79,33 -27.740 -1.459 -6.247 -328

    27-28 4,90 84,23 -30.850 -1.513 -8.738 -429

    28-29 4,13 88,36 -33.691 -1.391 -11.315 -467

    29-30 3,53 91,89 -36.653 -1.293 -13.901 -491

    30-31 2,54 94,43 -39.557 -1.005 -16.345 -415

    31-32 1,91 96,34 -42.865 -817 -18.895 -360

    32-33 1,52 97,85 -44.580 -676 -21.317 -323

    33-34 1,09 98,95 -48.775 -534 -23.605 -258

    34-35 0,67 99,62 -51.636 -346 -25.768 -173

    35-36 0,28 99,90 -55.031 -155 -28.450 -80

    T > 36 0,11 100,00 -55.288 -59 -29.933 -32

    -18.760 3.297

    QPm QPfcm

    Para el free-cooling entlpico el valor de QPfcm en toda la temporada sera de 3.297 kW que es 17,6% de la potencia media requerida QPm.

    En definitiva, en este caso, el free-cooling trmico se comporta mejor que el free-cooling entlpico.

    A continuacin se muestran grficamente la potencia ponderada media anual de enfriamiento gratuito (QPfcm) que se consigue, as como el % sobre el consumo de energa total que es capaz de aportar, correspondientes a los valores mostrados en las dos tablas anteriores.

  • 24

    Ahorro y recuperacin de energa en instalaciones de climatizacin

    Gua tcnica

    20.000

    18.000

    16.000

    14.000

    12.000

    10.000

    8.000

    6.000

    4.000

    2.000

    0

    Potencia (W

    )

    Demandatrmica

    FC entlpico FC trmico

    Potencia ponderada media anual de enfriamiento

    gratuito (free-cooling) (PPfcm)

    18.760

    3.297

    6.913

    40

    35

    30

    25

    20

    15

    10

    5

    0

    (%)

    Sin FC FC entlpico FC trmico

    Porcentaje ahorro de enfriamiento

    gratuito (free-cooling)

    0,0

    17,6

    36,9

    Figura 2.9: Comparacin datos ejemplo

    8 Estudio comparativo con otras tipologas de edificios para diferentes zonas climticas

    El estudio se realiza para tres edificios en cinco de las 12 zonas climticas de la tabla D.1.- Zonas climticas del Apndi-ce D del DB-HE1, representadas a su vez por una ciudad significativa de la misma. Con esta seleccin se abarca un amplio espectro de la diversidad climatolgica espaola. Las ciudades son: Burgos, Madrid, Barcelona, Sevilla y Las Palmas.

    Uno de los edificios es el rea de servicio presentado anteriormente, siendo los otros dos: un edificio de oficinas (ocupacin baja y 3.240 horas de funcionamiento ao) y una sala de espectculos (ocupacin alta y 1.980 horas de funcionamiento ao).

    Condiciones exteriores de proyecto: se han considerado los valores de la Norma UNE 100001 para el Nivel de Percentil Estacional NPE de la Tabla siguiente:

    CiudadesVerano (NPE 1%)

    Invierno (NPE 99%)

    TS ( C) TH ( C) TS ( C)

    Sevilla 38,9 25,1 +0,6

    Madrid 36,5 22,6 -4,9

    Burgos 30,8 20,1 -7,2

    Las Palmas 29,5 23,5 +12,1

    Barcelona 29,3 24,8 +0,1

    Condiciones interiores de diseo: se ha considerado los valores medios de la Tabla 1.4.1.1 de la IT 1.1 Exigencia de Bien-estar e Higiene del RITE.

    Verano Invierno

    T ( C) HR (%) T ( C) HR (%)

    24 52,5 22 45

    A continuacin se muestran las conclusiones y el resumen de los resultados de las cinco localidades para las tres tipo-logas de edificio. En cada caso se recoge:

    1 El tipo de control de enfriamiento gratuito que ha resultado ms favorable: free-cooling trmico (FCT) o free-cooling entlpico (FCH).

    2 El porcentaje de energa trmica ahorrada anualmente en kWh.

  • 25

    Enfriamiento gratuito

    50

    45

    40

    35

    30

    25

    20

    15

    10

    5

    0

    (%)

    Burgos (FCT)

    1.980 horas ocupacin alta 8.760 horas ocupacin media 3.240 horas ocupacin baja

    Madrid (FCT) Barcelona (FCH) Sevilla (FCT) Las Palmas (FCH)

    43,1

    21,4

    11,4

    19,0 16,2

    48,6

    36,9

    22,124,1

    19,6

    36,2

    11,87,8

    9,811,3

    Las conclusiones que se pueden extraer son las siguientes:

    1 Para zonas hmedas, el porcentaje de ahorro de energa sobre la demanda trmica en modo de refrigeracin es ma-yor cuando utilizamos el free-cooling entlpico que el free-cooling trmico para zonas con humedad relativa exterior alta, como Barcelona (zona Climtica C2) o Las Palmas de Gran Canaria (zona Climtica A3), en las que la entalpa del aire exterior es mayor que la entalpa del aire interior, por debajo de la temperatura seca de proyecto de + 24 C. En estas situaciones la compuerta de aire exterior se posiciona antes en el mnimo de ventilacin con el free-cooling entlpico (FCH) que con el trmico (FCT) lo que impide que no aumente la humedad interior, o lo que es lo mismo, la carga latente y tambin la carga sensible.

    2 Para zonas secas donde la entalpa del aire exterior es menor que la del aire interior, como sucede en las otras tres zonas, Madrid (D3), Burgos (E1) y Sevilla (B4) que se han analizado, con el aire exterior mnimo de ventilacin (Vvent) se compensa la carga latente del edificio. Por tanto, slo se debe tener en cuenta el criterio de comparar temperatura para evitar carga sensible a partir de 24 C; es decir, que se utilizar el FCT para evitar que aumente la carga sensible, o un control entlpico mejorado.

    2.2 sistemas de enfriamiento Gratuito por aGua

    2.2.1 Batera adicional

    En aplicaciones de climatizacin se puede producir la circunstancia de que la temperatura del aire exterior es inferior a la temperatura del agua a enfriar. En dichas circunstancias es posible un enfriamiento parcial o total del fluido a refrigerar con el aire exterior que est ms fro, por lo tanto el free-cooling por batera adicional es una solucin indirecta donde se refrigera el agua utilizada como fluido de transporte trmico.

    La aplicacin de este free-cooling requiere climas fros y aplicaciones intensivas con una demanda frigorfica importante, incluso a temperaturas exteriores bajas, lo que en Espaa sucede en muy pocas localidades/instalaciones.

    Suelen ser equipos compactos con dos bateras, una de aire-agua y otra aire-refrigerante. Dependiendo de las condi-ciones, el control del equipo decide si este debe trabajar como un aerotermo o como una enfriadora o las dos cosas al mismo tiempo.

    La accin del free-cooling debe ser proporcional para poder aprovechar las ocasiones donde la temperatura exterior no es suficientemente baja como para compensar por s misma la carga frigorfica; en este caso el free-cooling funcionar como un preenfriamiento del agua antes de entrar en el evaporador.

  • 26

    Ahorro y recuperacin de energa en instalaciones de climatizacin

    Gua tcnica

    Es una tcnica muy sencilla y til dado que no requiere ninguna modificacin de la instalacin, la planta en-friadora ya dispone de las dos bateras exteriores en paralelo y mediante su control decide cuando trabajar en modo free-cooling, free-cooling + enfriadora, o en-friadora solo.

    La enfriadora dispone de una vlvula de 3 vas interior que mediante el control centralizado decide si enviar el agua directamente al evaporador o enviarla primero a la batera exterior del free-cooling. Esta decisin se toma en funcin de la diferencia de temperaturas entre el flui-do a enfriar y la temperatura del aire exterior. Solo con

    un grado de diferencia empezar a entrar en accin el free-cooling.

    Los compresores funcionarn en paralelo con la bate-ra de free-cooling hasta que la temperatura exterior sea suficientemente baja como para poder compensar completamente la carga de la instalacin. A partir de ese punto, la enfriadora parar sus compresores y se comportar como un aerotermo.

    A continuacin se detallarn los 3 posibles modos de funcionamiento de una enfriadora con free-cooling por batera adicional.

    Free-cooling Free-cooling + Enfriadora Enfriadora

    -15 -5 5 15 25 35

    Figura 2.10: Consumo elctrico de los diferentes modos de funcionamiento contra equipos standar

  • 27

    Enfriamiento gratuito

    Modo fro

    El sistema acta como una enfriadora convencional, el agua no pasa por la batera de free-cooling dado que el sistema entiende que no aportara ningn ahorro energtico.

    Este modo se produce cuando la temperatura de retorno es inferior a la temperatura exterior.

    Sistema free-cooling

    Intercambiador

    Evaporador

    +10C +15C +35C

    Condensador

    Funcionamiento en la estacin veraniegaEn el funcionamiento veraniego el grupo frigorfico se porta como un chillerelctrico tradicional; es decir, los compresores frigorficos estn en funcin.

    Compresor

    Figura 2.11: Esquema funcionamiento en modo fro

  • 28

    Ahorro y recuperacin de energa en instalaciones de climatizacin

    Gua tcnica

    Modo fro + free-cooling

    El sistema acta como una enfriadora convencional con un preenfriamiento del agua antes de la entrada al evaporador, el agua pasa por la batera de free-cooling dado que el sistema entiende que en este caso aporta un ahorro energtico.

    Este modo se produce cuando la temperatura de retorno es superior a la temperatura exterior, pero la temperatura ex-terior no es suficientemente baja como para cubrir la carga frigorfica al 100%.

    Durante este proceso pueden modular los ventiladores exteriores, la vlvula de 3 vas y el control de capacidad del com-presor para cubrir con exactitud la demanda y con el mximo ahorro energtico.

    Sistema free-cooling

    Intercambiador

    Condensador

    Funcionamiento en media estacinEn la media estacin es posible parcializar el funcionamiento del compresor frigorfico gracias

    a una pre-refrigeracin del agua mediante el radiador.

    Evaporador

    +10C +15C +13C

    Compresor

    Figura 2.12: Esquema funcionamiento en modo mixto fro + free-cooling

  • 29

    Enfriamiento gratuito

    Modo free-cooling

    El sistema acta como un aerotermo, el agua no pasa por el evaporador y solo pasa por la batera de free-cooling, es el momento de mximo ahorro energtico dado que los compresores estn parados.

    Este modo se produce cuando la temperatura de retorno es superior a la temperatura exterior y la temperatura exterior es suficientemente baja como para cubrir la carga frigorfica al 100%.

    Durante este proceso pueden modular tanto los ventiladores exteriores como la vlvula de 3 vas para cubrir con exacti-tud la demanda y con el mximo ahorro energtico.

    Sistema free-cooling

    Intercambiador

    Evaporador

    +10C +15C +5 C

    Condensador

    Funcionamiento en la estacin invernalEn el funcionamiento invernal el agua es totalmente refrigerada por el radiador

    limitando al mximo, por consiguiente, el consumo de energa elctrica.

    Compresor

    Figura 2.13: Esquema funcionamiento en modo free-cooling

  • 30

    Ahorro y recuperacin de energa en instalaciones de climatizacin

    Gua tcnica

    Ejemplo de clculo de ahorro energtico

    A continuacin se detallar un clculo de ahorro ener-gtico-econmico de una solucin de free-cooling con batera adicional respecto a un equipo convencional sin free-cooling.

    Los resultados dependen en gran medida del tipo de utilizacin y la zona geogrfica, por lo tanto deberan realizarse cada vez que sea necesario con los datos pertinentes.

    Unidad free-cooling

    Tipo EnfriadoraFC

    Refrigerante R134a

    Capacidad frigorfica a la temperatura de condensacin fijada

    1.167 kW

    Evaporador T ent 15 C

    T sal 10 C

    Unidad sin free-cooling

    Tipo Enfriadora

    Refrigerante R134a

    Capacidad frigorfica a la temperatura de condensacin fijada

    1.134 kW

    Evaporador T ent 15 C

    T sal 10 C

    Tabla 1: Datos iniciales del clculo

    Perfil de temperaturas anual

    Un perfil clsico de clima fro donde los equipos con free-cooling tienen su utilizacin.

    T ambiente (C)

    Horas al ao

    T ambiente

    (C)

    Horas al ao

    T ambiente

    (C)

    Horas al ao

    -11 1 7 859 25 190

    -9 56 9 699 27 80

    -7 34 11 750 29 37

    -5 110 13 724 31 17

    -3 307 15 725 33 0

    -1 425 17 595 35 0

    1 497 19 527 37 0

    3 675 21 431 39 0

    5 701 23 320 41 0

    Tabla 2: Perfil de horas anual

    Perfil de cargas

    Carga constante durante el ao y sin variacin con la temperatura exterior.

    -15 -5 5 15 25 35 45

    1.200

    1.000

    800

    600

    400

    200

    0

    Carga de

    refrigerac

    in (kW)

    Temperatura del aire exterior (C)

    Figura 2.14: Carga de la instalacin

    Con las hiptesis de clculo anteriormente mencio-nadas, los clculos arrojan un ahorro de un 22% en energa elctrica.

    Este ahorro energtico se produce gracias a la gran cantidad de horas de funcionamiento y a las bajas tem-peraturas que se dan en su ubicacin geogrfica.

    Ahorro 22%

    E ab

    s (kWh/

    ao)

    180.000

    160.000

    140.000

    120.000

    100.000

    80.00060.000

    40.000

    20.000

    -11 -5

    Ts, ext

    1 7 13 19 25 31 37-

    Figura 2.15: Consumo anual equipos free-cooling contra equipo convencional

    Potencia consumida de las dos unidades

    P ab

    s. (k

    W)

    Ts, ext

    -15 15 25 35-5 5

    600

    500

    400

    300

    200

    100

    0

    Figura 2.16: Consumo anual medio en funcin de la temperatura exterior de equipos free-cooling contra equipo convencional

  • 31

    Enfriamiento gratuito

    Si tenemos en cuenta que la temperatura exterior mxi-ma para que entre en funcionamiento este sistema ser 2 3 C inferior a la temperatura mxima de retorno del circuito de agua fra (por ejemplo, 15 C), vemos que ser til cuando la temperatura seca exterior sea infe-rior a 12 C y, en estos casos, claramente el free-cooling presenta mejores prestaciones.

    Como conclusiones podemos establecer:

    Si el sistema de climatizacin es por aire la utilizacin de esta tcnica de recuperacin no tiene aplicacin en condiciones de confort, ya que se solapa en su campo de aplicacin con el que se puede obtener utilizando solamente el free-cooling, con menores costes, consumos energticos, y mantenimiento ms sencillo. No obstante, si en nuestra instalacin se presentan locales con patinillos verticales insuficien-tes para las secciones de conductos del free-cooling, o cuando las tomas y descargas del aire del citado free-cooling se hacen desde la fachada del local y es inviable el paso de conductos de gran seccin, ser necesario plantearse este sistema.

    Si el sistema es por agua (fan-coils, etc.) puede plantearse la utilizacin del mismo.

    Entre las aplicaciones de este sistema podemos men-cionar las siguientes:

    Cargas frigorficas poco dependientes de la tempe-ratura exterior.

    Ubicacin geogrfica con muchas horas/ao por debajo de los 10 C.

    Temperatura del agua lo ms alta posible (instala-ciones de techo fro,).

    Gran nmero de horas de funcionamiento en zona invernal.

    2.2.2 Geotermia

    Los sistemas de bomba de calor agua-agua con fuen-te de disipacin geotrmica de baja entalpa utilizan la capacidad de fuentes naturales como pozos, lagos o la propia corteza terrestre para ceder o absorber el calor tomado o aportado al ambiente en locales climatizados. Dichas fuentes, que en muchos casos pueden consi-derarse inagotables (formas de energa renovables), tienen como una de sus principales caractersticas su elevada inercia, lo que provee de gran estabilidad a los sistemas de climatizacin que se sirven de ellas.

    En el caso ms habitual de las bombas que trabajan contra el terreno, el intercambiador de calor exterior consiste gene-ralmente en sondas geotrmicas horizontales o verticales.

    Por debajo de una cierta profundidad (unos 15 m), el te-rreno se mantiene a una temperatura estable a lo largo del todo el ao, ya que es insensible a la radiacin solar y a la temperatura exterior, conservndose dentro de un valor constante a lo largo de todo el ao.

    Pero en el caso de que haya un equipo bomba de calor que aproveche esta fuente, en la poca invernal, en la que hay demanda de calefaccin, el calor cedido a los locales climatizados es extrado del terreno, con lo que ste se va enfriando en la zona dentro del entorno de las sondas geotrmicas hasta unos valores admisibles para asegurar el correcto rendimiento del equipo, para lo cual las sondas se habrn dimensionado adecuadamente.

    En poca estival ocurre justo el fenmeno opuesto. El terreno va absorbiendo el calor extrado de los locales climatizados, y consecuentemente se va calentando, siempre dentro de unos lmites admisibles conforme a un diseo adecuado.

    Estos valores de la temperatura del terreno varan mucho segn las caractersticas fsicas del terreno (conductividad, calor especfico), del punto geomtri-co en que se mida (profundidad y distancia a la que se encuentre de la sonda), del tiempo a lo largo del cual se est trabajando en el mismo rgimen y de las condicio-nes de trabajo en los que funcione el equipo.

    Pero es en los cambios de ciclo cuando el terreno dispo-ne de una temperatura favorable para la climatizacin por free-cooling o refrigeracin pasiva.

    Su utilizacin tpica es al principio de la poca estival, y consiste simplemente en aprovechar las bajas tempe-raturas del terreno resultantes durante el invierno para enfriar el agua que luego se recircular por el interior de los locales, a una temperatura lo suficientemente baja para que no sea necesaria la entrada del compresor del circuito frigorfico (refrigeracin activa) y, consecuente-mente, el gasto energtico sea mnimo.

    Se trata pues de un modo especfico de recuperacin de calor, puesto que se aprovecha la temperatura exis-tente en el terreno para climatizar de manera que puede considerarse gratuita, con el nico gasto energtico de las bombas de recirculacin de agua.

    A continuacin se muestra un esquema tipo del circuito de una unidad bomba de calor agua-agua con refrigera-cin pasiva.

  • 32

    Ahorro y recuperacin de energa en instalaciones de climatizacin

    Gua tcnica

    FS FS

    Instalac

    in

    Fuente de disipacin geotrmica

    Vlvula de 3 vas parafree-cooling pasivo

    Figura 2.17: Esquema bsico de enfriamiento gratuito por geotermia

    En la figura 2.17 puede verse como un conjunto de vl-vula de tres vas y de intercambiador, incluidos en la unidad bomba de calor, permite transferir el calor en-tre el circuito de la fuente geotrmica y el circuito de climatizacin.

    En este caso, el agua procedente de la sonda geotr-mica atraviesa el intercambiador del circuito frigorfico (condensador en el caso de funcionamiento estival) correspondiente al lado de la sonda sin verse afectado por la actuacin de este circuito, puesto que como se ha indicado antes, el compresor permanece apagado.

    Este agua circula a travs del primario del intercambia-dor del free-cooling. En el secundario, el agua destinada a la refrigeracin (o mejor refrescamiento) de los loca-les, es recirculada por la bomba del circuito que integra la unidad, atraviesa el otro intercambiador frigorfico (que hara las funciones de evaporador), desactivado a causa del paro del compresor.

    Es el sistema de control el que decidir la actuacin de la vlvula de tres vas en coordinacin con los otros elementos de la instalacin afectados; en concreto, el compresor y las bombas de recirculacin.

    Los parmetros que establecern la entrada o no del free-cooling pasivo sern:

    El estado de demanda de refrigeracin.

    El valor de consigna de la temperatura del agua a impulsar al local.

    El valor de temperatura del agua procedente de la sonda geotrmica.

    En el momento que la temperatura del agua procedente de la sonda geotrmica sea inferior a la requerida por el agua para la climatizacin, el free-cooling pasivo es activado.

  • 33

    Enfriamiento gratuito

    Una vez el sistema compruebe que no es capaz de alcanzar las condiciones requeridas, porque la temperatura del agua procedente de la sonda sea superior a la requerida, la vlvula de 3 vas cerrara el paso de agua hacia el intercambiador y entrara en marcha el compresor, actuando como bomba de calor agua-agua.

    Si bien es evidente que el free-cooling pasivo es un modo de recuperacin de energa de aplicacin directa en este tipo de sistemas, es muy difcil la valoracin del ahorro energtico si no es por simulacin directa del sistema concreto que se vaya a aplicar.

    Esto se debe en primer lugar a que es necesario conocer con precisin la evolucin anual de la carga que tendr el sistema a lo largo del ao, porque esta es la que definir a su vez la evolucin de la temperatura del terreno y, conse-cuentemente, las condiciones en las que podr aplicarse este modo de recuperacin de calor. Y en segundo lugar a las condiciones de comportamiento trmico del terreno que dependern de su constitucin y de la fisonoma de las sondas.

    A priori puede afirmarse que solo los sistemas geotrmicos de bomba de calor con funcionamiento en calefaccin en invierno y en refrigeracin en verano son susceptibles de utilizarlo, puesto que en este caso es cuando se da la doble condicin de que el terreno se encuentra a una temperatura suficientemente baja en momentos en los que es necesaria refrigeracin. Esto hace que los pases de clima mediterrneo, con demanda de calefaccin y de refrigeracin, sean los que mayor uso puedan hacer de estos sistemas.

    2.2.3 Torre de refrigeracin

    Existe la posibilidad de aprovechar las condiciones energticas del aire exterior, mediante el enfriamiento de agua en una torre de refrigeracin y utilizar dicha agua enfriada para enfriar, a su vez, el aire de impulsin a los locales por medio de una batera agua-aire situada en la UTA, a continuacin del free-cooling y antes de las bateras principales de refri-geracin y calefaccin.

    La disposicin del sistema sera similar al de la figura siguiente:

    Aire expulsado Aire exterior

    Aire de mezcla

    Airerecirculado

    Batera de enfriamiento de agua

    Zona demezcla

    Torre de refrigeracin

    Figura 2.18: Esquema bsico de enfriamiento gratuito por batera de agua y refrigerada por torre

  • 34

    Ahorro y recuperacin de energa en instalaciones de climatizacin

    Gua tcnica

    La inclusin en la unidad de tratamiento de aire, despus del free-cooling, de la citada batera de agua, refrigerada a travs de un circuito de torre, supone un ahorro de energa adicional, al evitar la entrada en funcionamiento de la batera principal de refrigeracin del sistema.

    Si tenemos en cuenta que la mnima temperatura de agua enfriada que podremos obtener siempre ser superior en como mnimo 3 C a la temperatura de bulbo hmedo de la torre, y consideramos un salto trmico mnimo de 4 C entre la temperatura de entrada y salida de la batera de enfriamiento, obtenemos que la temperatura de impulsin hacia los locales a climatizar superar los 20 C si la temperatura hmeda exterior es superior a 13 C; por lo tanto, esta tcnica sera de utilizacin cuando la temperatura hmeda exterior fuera inferior a esos 13 C, y en estos casos, claramente el free-cooling presenta mejores prestaciones.

    En la figura 2.19 se ha representado sobre el psicomtrico la situacin de operacin de una torre, cuyo uso podra ser el enfriamiento de agua para conseguir condiciones de confort con esa agua enfriada por medio de dicha torre.

    42 44 46 48 50 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40

    Hum

    edad

    esp

    ecfica

    W (g

    /kg a.s)

    Temperatura seca Ts (C)

    0

    2

    4

    6

    8

    10

    12

    14

    16

    18

    20

    22

    24

    26

    28

    30

    32

    15C, hw1=62,17 kJ/kg

    19C, hw1=79,42 kJ/kg

    12C

    Salto trmico: 4CAcercamiento: 3C

    Evolucin del aire

    Punto 1: Aire exterior18C, 50% HR, Th=12C, h1=34,44 kJ/kg

    Eficiencia=R/(R+A); Efic=0,57Balance energtico:h1+hw1=hw2 hw2=51,12 kJ/kg

    Evolucin del agua

    Punto2: Salida del aire de la torre19C, 90% HR(aprox.)

    Figura 2.19: Evolucin en el diagrama psicromtrico

    En la figura 2.20 se ha presentado el comparativo entre ambos procesos, as como los rangos operacionales tiles (para instalaciones habituales de climatizacin).

  • 35

    Enfriamiento gratuito

    Aire expulsado

    Bomba circuladora Ventilador torre

    Aire exterior

    Aire de mezclaAire

    recirculado

    Batera de enfriamiento de agua

    Zona demezcla

    Torre de refrigeracin

    Min. tBH:12C

    15C

    19C

    T imp aire 21C

    Torre + Batera agua fraRango operacin1419C (Fuera de este rango HR muy bajas)

    Aire expulsado

    Enfriamiento gratuito por aire

    Aire exterior

    Airerecirculado

    Aire de mezcla

    Zona demezcla

    T imp aire: mezcla (16C)21C

    Free-coolingRango operacinT min. zona21C (Sin limitacin por HR )

    Para aplicaciones de confort, el free-cooling es ms barato y consume menor energa que el conjunto torre-batera (ya que no hacen falta ni la bomba circuladora ni el ventilador de la torre) para conseguir el mismo efecto de refrigeracin.

    Figura 2.20: Comparativo energtico torre-batera de agua/free-cooling

    Como conclusiones podemos establecer:

    La utilizacin de este sistema combinado free-cooling/batera adicional, no tiene aplicacin en condiciones de con-fort, ya que se solapa en su campo de aplicacin con el que se puede obtener utilizando solamente el free-cooling, con menores costes, consumos energticos y mantenimiento ms sencillo, al no necesitar los ventiladores de la torre, ni la bomba de circulacin del circuito torre-batera.

    Tiene sentido la utilizacin de la batera de enfriamiento en aquellos casos donde no sea posible la utilizacin del free-cooling:

    Locales con patinillos verticales insuficientes para las secciones de conductos del free-cooling.

  • 36

    Ahorro y recuperacin de energa en instalaciones de climatizacin

    Gua tcnica

    Cuando las tomas y descargas del aire del ci-tado free-cooling se hacen desde la fachada del local y es inviable el paso de conductos de gran seccin.

    2.3 sistemas de enfriamiento Gratuito por miGracin de refriGerante

    Los sistemas de enfriamiento gratuito por migracin de refrigerante en equipos aire-agua (tambin denomina-do free-cooling por expansin directa) son soluciones tcnicas que, mediante un proceso termodinmico y operativo especfico, permiten enfriar agua aprove-chando como energa gratuita las bajas temperaturas exteriores; usando para ello exclusivamente los propios intercambiadores de calor del equipo (condensador y evaporador) y sin requerir del funcionamiento de los compresores.

    Se trata por tanto de sistemas que cumplen con lo dis-puesto en el Reglamento de Instalaciones Trmicas en los Edificios (RITE) 2007, en concreto con la I.T.1.2.4.5.1 Enfriamiento Gratuito por aire exterior, al ofrecer solu-ciones que aprovechan la energa gratuita ambiental para transferirla al proceso industrial o de climatizacin en forma de agua enfriada.

    Principio de funcionamiento

    El enfriamiento gratuito por migracin de refrigerante se fundamenta en un efecto termodinmico denomina-do termosifn, consistente en la migracin natural del gas refrigerante desde una regin relativamente calien-te a una regin relativamente fra, con la consecuente transferencia de calor.

    Durante el proceso convencional de refrigeracin me-cnica o por ciclo de compresin, el refrigerante es evaporado en unas condiciones de presin y temperatu-ra inferiores a las de condensacin como consecuencia de que el medio de evaporacin, agua de retorno de la instalacin (por ejemplo, a 7/12 C de salida/entrada) est ms fro que el medio de condensacin (aire exte-rior, por ejemplo, a 35 C). Esta diferencia de presin en el circuito frigorfico requiere ser salvada mediante la utilizacin de procesos mecnicos de compresin y ex-pansin para transferir calor desde el evaporador (foco fro) al condensador (foco caliente). Es decir, que se re-quiere de equipos mecnicos tales como compresor y

    dispositivos de expansin para garantizar el ciclo frigo-rfico y, por ende, el proceso de enfriamiento de agua.

    Sin embargo, cuando se dan condiciones climatolgicas durante las cuales la temperatura exterior (medio de condensacin) es significativamente inferior a la tempe-ratura de retorno de agua de la instalacin o entrada al evaporador (medio de evaporacin) se produce, a partir de una diferencia trmica determinada, una inversin del estado de presiones en el circuito frigorfico. Por efec-to de la baja temperatura exterior (por ejemplo, 0 C), la presin de condensacin correspondiente llega a ser inferior a la presin de evaporacin correspondien-te a la temperatura de agua de retorno al evaporador (por ejemplo, 15 C), creando una diferencia negativa de presin que propicia el efecto de migracin natural del refrigerante (no forzada mecnicamente) desde el evaporador (foco caliente y de mayor presin) hasta el condensador (foco fro y de menor presin).

    El proceso completo de enfriamiento por migracin natural de refrigerante, aprovechando las bajas tempe-raturas exteriores como fuente natural de energa, se basa por tanto en el siguiente ciclo frigorfico:

    1 El agua de retorno de la instalacin o de entrada al evaporador produce, mediante un proceso de intercambio trmico agua-refrigerante llevado a cabo en el evaporador, la evaporacin de este l-timo. La energa requerida para la evaporacin es extrada del agua produciendo su consiguiente enfriamiento.

    2 En condiciones favorables para el enfriamiento gratuito; es decir, de diferencia de temperatu-ra y presin en el evaporador con respecto al condensador o, lo que es lo mismo, cuando la temperatura exterior sea suficientemente infe-rior a la temperatura de agua de la instalacin, el sistema de control del equipo habilitar un circuito frigorfico que bypasear el propio del compresor. De esta manera, el vapor de refri-gerante resultante del proceso de enfriamiento anterior migrar de manera natural desde el eva-porador hacia el condensador (foco de menor temperatura y presin).

    3 El proceso de condensacin se realiza mediante un segundo proceso de intercambio trmico, en este caso refrigerante-aire exterior, durante el cual, la energa requerida para la condensacin es extrada

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    Enfriamiento gratuito

    del refrigerante (previamente absorbida por efecto de la evaporacin) y cedida al aire exterior. Mediante la actua-cin sobre los ventiladores y consecuentemente sobre los caudales de aire exterior (elemento de condensacin), se regula la presin de condensacin en funcin de la demanda frigorfica del sistema y las condiciones exteriores; actuando por tanto estos como elemento principal de control de capacidad.

    4 El refrigerante lquido es retornado nuevamente al evaporador mediante una bomba de refrigerante lquido disea-da a tales efectos.

    10C 15C

    Figura 2.21: Esquema equipo

    En el siguiente diagrama se ilustra de manera simplificada el proceso termodinmico de enfriamiento por migracin de refrigerante, contrapuesto al proceso por compresin mecnica.

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    Ahorro y recuperacin de energa en instalaciones de climatizacin

    Gua tcnica

    0,500,600,700,800,901,00

    2,00

    3,00

    4,005,006,007,008,009,0010,00

    20,00

    30,00

    40,0050,00

    140 170 200 230 260 290 320 350 380 410 4400,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90 0-20 20 40

    60

    80

    100

    -40

    00

    -10-10

    1010

    2020

    3030

    4040

    5050 60

    6070

    70 8080 90

    90

    -20-20

    -30-30

    -40

    100 100

    -40

    Ciclo de refrigeracin mecnica

    Ciclo de enfriamiento gratuito por migracin de refrigerante

    CompresinBomba

    Evaporacin

    Condensacin

    Condensacin

    R134a

    Figura 2.22: Ciclo seguido en el diagrama P-h

    Las particularidades entre ambos procesos frigorfi-cos, mecnico o por migracin, se resuelven mediante integracin de componentes adicionales que, dada su interrelacin e integracin en el propio ciclo frigorfico, se recomienda formen parte intrnseca del equipo, aun pudiendo ser ofrecidos como configuraciones opciona-les de stos.